Temperatury wrzenia

Źródło: Lara Al Hariri i Ahmed Basabrain z University of Massachusetts Amherst, MA, USA

1. Oznaczanie temperatury wrzenia acetonu i etanoluRozwiń

   Temperatura, w której czysta substancja organiczna przechodzi z fazy ciekłej do fazy gazowej, jest znana jako temperatura wrzenia. Temperaturę wrzenia cieczy można określić za pomocą metody kapilarnej, w której odwróconą kapilarę umieszcza się w interesującej cieczy i cieczy podgrzewa się. Wraz ze wzrostem temperatury powietrze w kapilarze ucieka i jest zastępowane parą cieczy. Prężność pary w kapilarze wzrasta wraz z temperaturą. Po przekroczeniu ciśnienia atmosferycznego para wydostaje się z kapilary w postaci strumienia pęcherzyków. Po usunięciu ciepła ciecz ochładza się, a ciśnienie pary w kapilarze spada. Gdy prężność pary osiągnie ciśnienie atmosferyczne, ciecz zaczyna wypełniać kapilarę. Temperatura, w której to następuje, to temperatura wrzenia.

   • Załóż fartuch laboratoryjny, odporne na zachlapanie okulary ochronne i rękawice nitrylowe. Ten eksperyment musi być przeprowadzony w kapturze.
   • Przymocuj małą probówkę do termometru za pomocą gumki recepturki i zabezpiecz termometr w zacisku.
   • Weź aceton i przynieś go z powrotem do swojego kaptura. Za pomocą szklanej pipety i bańki odmierz 1 ml acetonu i przenieś go do małej probówki.
   • Ustaw koniec termometru tak, aby znajdował się na poziomie acetonu w probówce, trzymając je blisko siebie. Odwróć rurkę kapilarną i umieść ją w probówce tak, aby otwarty koniec był skierowany w dół.
   • Użyj zlewki o pojemności 250 ml, aby stworzyć kąpiel wodną. Dodaj około 180 ml wody do zlewki i umieść ją na płycie grzejnej.
   • Opuść termometr i probówkę do łaźni wodnej. Włącz płytę grzejną na najniższe ustawienie, około 30°C.
   • Powoli zwiększaj temperaturę na płycie grzejnej o 10 – 20°C co 10 minut i uważnie obserwuj płyn w probówce. Gdy zaczniesz widzieć sporadyczne bąbelki w płynie, zwiększaj ustawienie grzania tylko o 5°C co 10 minut.
   • Uważnie obserwuj rurkę kapilarną wewnątrz probówki. Podaj temperaturę, w której szybki i ciągły strumień pęcherzyków wydostaje się z kapilary.

     Tabela 1: Temperatura wrzenia acetonu i etanolu

     	Temperatura wrzenia (°C)
     	Bąbelki	Ciecz w kapilarze
     aceton
     etanol

     Kliknij tutaj, aby pobrać Tabelę 1
   • Wyłącz ogrzewanie i pozwól kąpieli wodnej ostygnąć. Obserwuj kapilarę, ponieważ produkcja pęcherzyków maleje, aż do momentu, gdy z naczynia włosowatego nie wydobędą się pęcherzyki. Ciecz zacznie się unosić w kapilarze. Zapisz temperaturę, w której to następuje.
   • Oznacz czystą zlewkę o pojemności 25 ml jako 'odpady organiczne'. Gdy łaźnia wodna ostygnie do około 35°C, wyjmij termometr i probówkę z kąpieli. Odłączyć probówkę od termometru i wlać aceton do zlewki na odpady.
   • Użyj czystej probówki i kapilary i powtórz eksperyment używając 1 ml etanolu.
   • Po zmierzeniu temperatury wrzenia etanolu, pozwól kąpieli wodnej ostygnąć. Po wystarczającym ostygnięciu wyjmij probówkę i termometr z łaźni wodnej, odłącz probówkę od termometru i wlej etanol do zlewki na odpady organiczne.
   • Wylej wodę z kąpieli wodnej do zlewu, a kapilary i probówki umieść w szklanym pojemniku. Wyrzuć odpady organiczne do pojemnika dostarczonego przez instruktora.
   • Umyj wszystkie swoje szklane naczynia detergentem i wodą.
2. WynikiRozwiń

   W tym eksperymencie zmierzyliśmy temperaturę wrzenia acetonu na 56°C, co dobrze wypada w porównaniu z podaną wartością. Podobnie zmierzono temperaturę wrzenia etanolu na 78°C. Błędy w pomiarze temperatury wrzenia można przypisać wielu błędom eksperymentalnym, takim jak zbyt szybkie podgrzewanie łaźni wodnej lub złe ustawienie termometru i próbki.

   Temperatura wrzenia substancji organicznej jest bezpośrednio związana z jej strukturą, gdzie silniejsze siły wewnątrzcząsteczkowe powodują wyższą temperaturę wrzenia, ponieważ cząsteczki są w stanie utrzymać się nawzajem i dłużej pozostawać w fazie ciekłej. Wyższą temperaturę wrzenia etanolu obserwuje się ze względu na strukturę OH, która powoduje wiązanie wodorowe między cząsteczkami. Aceton ma podwójne wiązanie polarne CO, co powoduje siły dipol-dipol. Ponieważ wiązanie wodorowe jest silniejsze niż siły dipol-dipol, etanol ma wyższą temperaturę wrzenia.

   Dodatkowo etanol ma niższą masę cząsteczkową niż aceton. Jednak masa cząsteczkowa ma mniejszy wpływ na temperaturę wrzenia niż struktura molekularna. Na przykład butan jest gazem w temperaturze i ciśnieniu pokojowym, ponieważ ma temperaturę wrzenia niższą niż 25°C. Etanol ma nieco niższą masę cząsteczkową niż butan, ale w temperaturze pokojowej jest cieczą, a zatem ma temperaturę wrzenia wyższą niż temperatura pokojowa. Wynika to z wiązania wodorowego między cząsteczkami etanolu, które jest silniejsze niż siły van der Waalsa między cząsteczkami butanu.